第五章 机械位移传感器 5.1 认识机械位移传感器

5.1 认识机械位移传感器 2学时 目录 一、教学知识 1、电位器式位移传感器 2、电容式位移传感器 3、电感位移传感器 4、电涡流式位移传感器 5、光栅位移传感器 6、光电编码器 7、接近传感器 8、转速传感器 二、归纳总结 三、作业

5.1 认识机械位移传感器 教学目标 (1)掌握常用机械位移传感器(如电磁式、差动变压器式、电阻应变式、电感式、电容式、光电式、霍尔式、电涡流式、绝对编码器、增量编码器、感应同步器式) 检测原理； (2)掌握各种位移检测的方法。 (3)能识别不同种类的机械位移传感器； (4)能区分常见机械位移传感器的检测方法、信号转换、应用场合、优缺点等。 教学重点难点 重 点 难 点 (1)常用机械位移传感器检测位移的方法； (2)不同类型机械位移传感器的认识。 常见机械位移传感器工作原理，仪表信号采集与测量。

5.1 认识机械位移传感器 自动生产线上分拣站，进行物件分拣的时候，常用的方法：根据光电、光纤传感器进行分拣，缺点信号有滞后，不准确，气缸推动有误差。 更准确的方法，该怎么做？

5.1 认识机械位移传感器 在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用 。

5.1 认识机械位移传感器 机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度和角位移等几何学量的一种传感器。

5.1 认识机械位移传感器 一、电位器式位移传感器

5.1 认识机械位移传感器 一、电位器式位移传感器 它由电阻体、电刷、转轴、滑动臂、焊片等组成，电阻体的两端和焊片A、C相连，因此AC端的电阻值就是电阻体的总阻值。 转轴是和滑动臂相连的，在滑动臂的一端装有电刷，它靠滑动臂的弹性压在电阻体上并与之紧密接触，滑动臂的另一端与焊片B相连

5.1 认识机械位移传感器 一、电位器式位移传感器 电位器转轴上的电刷将电阻体电阻R0分为R12和R23两部分，输出电压为Uo。 特点：具有结构简单，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大，易于转换，便于维修的优点。其缺点是存在摩擦，分辨力有限，精度不够高，动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量，常用作位置信号发生器。

5.1 认识机械位移传感器 二、电容式位移传感器 非接触DWS型电容式位移传感器 电容式传感器 MicroSense 电容式位移传感器 非接触电容位移传感器

5.1 认识机械位移传感器 二、电容式位移传感器 以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。其电容变化与位移变化成非线性关系，为了改善非线性关系，可采用差动变极距式电容传感器。 电容式位移传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移的测量。

5.1 认识机械位移传感器 二、电容式位移传感器 变极距式电容传感器 二、电容式位移传感器 变极距式电容传感器 一个电极板固定不动，称为固定极板，极板的面积为Ａ，另一极板可左右移动，引起极板间距离d相应变化。只要测出电容变化量⊿C，便可计算得到极板间距的变化量，即极板的位移量⊿d。

5.1 认识机械位移传感器 二、电容式位移传感器 变面积式电容传感器 除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。 二、电容式位移传感器 变面积式电容传感器 除用变极距式电容传感器测位移外，还可以用变面积式电容传感器测角位移。 特点：电容式传感器极板之间的空气隙d很小， 存在介质被击穿的危险。极片材料受温度的影响：由不同材料制造成的传感器， 具有不同的温度膨胀系数，为此在决定传感器尺寸和选材时均要考虑温度影响。连接线问题： 电容式传感器的电容值均很小，一般在皮法(10-12F)级， 因而连接线通常使用分布电容极小的高频电缆。

5.1 认识机械位移传感器 三、电感位移传感器 电感式传感器是利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。 1、螺线管式电感位移传感器。主要由螺线管和铁芯组成，铁芯插入线圈中并可来回移动。 螺线管 f194c-6v螺线管

5.1 认识机械位移传感器 三、电感位移传感器 根据图中给出的电流方向，标出通电螺线管的N、S 极 当铁芯发生位移时，将引起线圈电感的变化。线圈的电感量与铁芯插入线圈的长度有如下的关系。铁芯随被测物体一起移动，导致线圈电感量发生变化。其检测位移量可从数毫米到数百毫米。缺点是灵敏度低。

5.1 认识机械位移传感器 三、电感位移传感器 2、差动变压器式位移传感器 直流差动变压器式角位移传感器 TD系列线性差动变压器式位移传感器 - RVIT-15-120I角位移传感器 TD系列线性差动变压器式位移传感器

5.1 认识机械位移传感器 三、电感位移传感器 2、差动变压器式位移传感器 初级线圈L1加交流励磁电压Uin，次级线圈上由于电磁感应而产生感应电压。 由于两个次级线圈反极性串接，所以两个次级线圈中的感应电压UOUT1和UOUT2的相位相反，当铁芯处于中心对称位置时，则UOUT1=UOUT2，所以UOUT=0。 当铁芯向两端位移时，UOUT1大于或小于UOUT2，使UOUT不等于零，其值与铁芯的位移成正比。 特点：结构简单、灵敏度高、线性度好和测量范围宽。缺点是存在零点残余电动势。可采用相敏检波电路等措施进行补偿。

5.1 认识机械位移传感器 四、电涡流式位移传感器

5.1 认识机械位移传感器 四、电涡流式位移传感器 电涡流式传感器是一个绕在骨架上的导线所构成的空心线圈， 它与正弦交流电源接通，通过线圈的电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当导电的金属靠近这个线圈时，金属导体中便会产生电涡流，涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、 磁导率μ、厚度d、线圈与金属导体的距离x以及线圈励磁电流的角频率ω等参数有关。如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些参数。探头产生电磁场，接近被测体(必须是导体)时，被测体也会被产生一个电磁场。 通过感应被测体的电磁场判断位移，电涡流分辨率高一些。导体的厚度应远大于电涡流的轴向贯穿深度，电阻率大的材料应选用较高的励磁频率，被测金属导体的横向尺寸应大于线圈外径的1.8倍；测量时应禁止其他金属物体接近传感器线圈。

5.1 认识机械位移传感器 五、光栅位移传感器 长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移 GWC系列光栅位移传感器 光栅尺位移传感器 长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移 构成：主光栅 --- 标尺光栅，一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动；指示光栅 ---指示光栅相对于光电元件固定。 长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )

5.1 认识机械位移传感器 五、光栅位移传感器 莫尔条纹移动方向与两光栅相对移动方向垂直。莫尔条纹有位移的放大作用。可以实现高灵敏的位移测量。测量精度高（分辨率为0.1μm），动态测量范围广（0～1000mm），可进行无接触测量，容易实现系统的自动化和数字化。在机械工业中得到了广泛的应用，特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面。

5.1 认识机械位移传感器 六、光电编码器 编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。

5.1 认识机械位移传感器 六、光电编码器 1、增量式编码器。光电编码器也是一种光电传感器，只是它将光源、透镜、随轴旋转的码盘、窄缝和光敏元件组成在一起。当码盘转动时，光敏元件接收到一串亮暗相间的光线，由后续电路转换为一串脉冲，它将转速信号直接转换为脉冲输出。因此它是一种数字式传感器。光电编码器广泛使用于测量转轴的转速、角位移、丝杆的线位移等方面。 特点：优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

5.1 认识机械位移传感器 六、光电编码器 2、绝对式编码器。绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。 特点：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。

5.1 认识机械位移传感器 七、接近传感器 接近传感器是一种具有感知物体接近能力的器件。它利用位移传感器对所接近的物体具有的敏感特性来识别物体的接近，并输出相应开关信号。因此，通常又把接近传感器称为接近开关。 （1）电容式接近开关。电容式接近传感器是一个以电极为检测端的静电电容式接近开关。被测物体越靠近检测电极，检测电极上的电荷就越多，电容C随之增大，使振荡电路的振荡减弱，直至停止振荡。

5.1 认识机械位移传感器 七、接近传感器 （2）电感式接近开关。检测用敏感元件为检测线圈，它是振荡电路的一个组成部分。当金属物体接近检测线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，使振荡减弱以至停振。

5.1 认识机械位移传感器 七、接近传感器 （3）热释电红外传感器接近电路。热释电红外传感器是用热释电元件的热释电效应探测人体发出的红外线的一种传感器。它用于防盗、报警、来客告知及非接触开关等设备中。 （4）磁性开关。通过磁铁来感应的，用永磁铁或电磁铁来驱动，使用开关闭合导通。磁性开关是两线型开关，可以任意反馈正负极或AC220V电源信号；用于计数，限位等等，可做多点控制、安装容易、节省成本。

5.1 认识机械位移传感器 八、转速传感器 1、磁电式转速传感器。传感器输出脉冲电动势的幅值与被测转速成一定的比例,所以这种传感器不适合测量过低的转速。当转轴旋转时，磁盘的凸凹齿形将引起磁盘与永久磁铁间气隙大小的变化，从而使永久磁铁组成的磁路中磁通量随之发生变化。 特点：这种传感器不适合测量过低的转速，其测量转速下限一般为50转/秒左右，上限可达数百千转/秒。

5.1 认识机械位移传感器 八、转速传感器 2、光电式转速传感器。从光源发射的光，通过开孔盘和缝隙照射到光敏元件上，使光敏元件感光，产生脉冲信号，送测量电路计数，测得转速。

5.1 认识机械位移传感器 八、转速传感器 3、多普勒雷达测速。发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。

归纳总结 作业 5.1 认识机械位移传感器 机械位移传感器是工程中应用较为广泛的一种传感器。 以表格的形式，总结各种位置传感器的工作原理、性能特点、应用场合，逐条分析位移传感器选用的规定。